第 一篇 卫星探测基础知识

第一篇 气象卫星资料应用分析基础知识

第一章 气象卫星轨道和卫星

大气中发生的各种天气现象的尺度从数百米或几公里到上千公里，时间尺度从几分钟、小时到数天，为对空间尺度大和时间尺度变化快的大气现象进行观测，实现全球覆盖观测，满足对大气监视和天气预报的需要，气象卫星轨道主要有太阳同步卫星轨道和地球静止卫星轨道两种，下面概要地介绍。

第一节 太阳同步卫星轨道

1、什么是太阳同步卫星轨道

所谓太阳同步卫星轨道是指卫星的轨道平面与太阳始终保持固定的取向。由于这一种卫星轨道的倾角接近900，卫星近乎通过极地，所以又称它为近极地太阳同步卫星轨道，有时简称极地轨道。图1.1 表示了近极地太阳同步卫星轨道的示意图，从图上看出，卫星几乎以同一地方时（只对轨道的升段或降段）经过世界各地。考虑到卫星轨道平面随地球绕太阳公转的同时，为保持卫星的轨道平面始终与太阳保持固定的取向，必须使卫星的轨道平面每天自西向东旋转10（相对于太阳）。

图1.1 太阳同步卫星轨道 3、太阳同步轨道的优缺点： 太阳同步卫星轨道的优点是：（1）由于太阳同步卫星轨道近于圆形，轨道的预告、资料的接收定位处理都有十分方便；（2）太阳同步轨道卫星可以观测全球，尤其是可以观测到极地区域；（3）在观测时有合适的照明，可以到稳定的太阳能，保障卫星正常工作。 太阳同步卫星轨道的缺点是：（1）虽然太阳同步卫星可以获取全球资料，但是时间分辨率低，对某一地区的观测时间间隔长，一颗极地太阳同步轨道卫星每天只能对同一地区观测两次，不能满足气象观测要求，不能监视生命短、变化快的中小尺度天气系统；（2）相邻两条轨道的观测资料不是同一时刻的，需要进行同化。

三、地球静止卫星轨道

1、什么是地球同步静止卫星轨道

如果卫星的倾角等于00，赤道平面与轨道平面重合，则卫星在赤道上空运行；又若卫星的周期正好等于地球自转周期（23小时56分04秒），卫星公转方向与地球自转达方向相同，这样的卫星轨道称

地球同步轨道。若在地面看，这种轨道上的卫星好象静止在天空某一地方，不动似的，所以又把它称做地球静止卫星轨道。这样轨道上的卫星称做静止卫星。 2、静止卫星的轨道参数

对于理想的静止卫星轨道，它的轨道参数为

1）卫星的轨道倾角为00，这时卫星的轨道平面与赤道平面重合，卫星的运行方向与地球自转方向一致；

2）卫星轨道偏心率等于0，这表示卫星轨道必须是圆形的；

3）卫星的周期为23小时56分04秒，它正好等于地球自转周期。

6、静止卫星的优缺点

静止卫星作为一个气象观测平台有许多优点：

1）由于静止卫星的高度高，视野广阔，一个静止卫星可以对南北700S~700N，东西140个经度，约占地球表面积1亿7千万平方公里进行观测；

2）静止卫星可以对某一固定区域进行连续观测，可以以半小时或1小时提供一张全景圆面图。在特殊需要时，可每隔3 ~ 5分钟对某个小区域进行一次观测；

3）静止卫星可以监视天气云系的连续变化，特别是生命短、变化快的中小尺度灾害性天气系统。

静止卫星的不足之处是不能观测南北极区，同时对卫星观测仪器的要求高。 四、全球卫星观测体系

静止卫星能对中低纬度广大固定地区实行连续观测，但是观测不到极区和固定地区的以外的地区；极地太阳同步轨道卫星能实现全球观测，但一颗极地太阳同步卫星对中低纬度地区每天只能对白天和夜间各观测一次，不能对中低纬度地区的天气连续监视观测，但其能以高的时间分辨率观测极区。为了将

图1.2 地球卫星观测体系

若干颗静止气象卫星与几颗极地太阳同步气象卫星组合在一起，发挥各自的优势，克服其短处，形成一个全球卫星观测体系，实行对全球天气的监视。如图1.2所示，在静止卫星轨道上放置多颗卫星，具体位置分别为：0、630E（METEOSAT欧洲空间局）、830E（INSAT-印）、1050E（FY-2中）、1400E（MTSAT

日）、1350W（GOES美）、750W（GOES美）；极地太阳同步卫星有两颗，其一个在上午通过，另一个在下午通过各地，这样可以每间隔半小时获取全球资料，为有效覆盖全球，各卫星观测区彼此有一定重迭。另有数颗专用气象卫星，从而实现卫星对全球大气的监视和观测，为全球气候和天气预报提供气象资料。中国发射了FY-2静止气卫星，定点于1050E，这对于观测青藏高原和西太平洋台风有重要作用；印度发射了INSAT静止气象卫星，定点于830E，对于观测印度洋热带风暴发挥重要作用；同时，这对气象卫星完成全球天气的监视和气候变化的研究有重要意义。全球气象卫星观测体系的建立，标志着大气探测进入了一个以卫星观测为主体的全球观测体系新时代，大气科学的发展必将有一个新的飞跃。

第二节 国内外卫星介绍

一、风云1号系列卫星

于1988年9 月7日，由长征4号火箭成功地将风云1号气象卫星送入太空，从此我国拥有了自已的气象卫星。风云1号气象卫星是中国第一代极地太阳同步轨道试验卫星，它由中国航天部承担卫星的研制和发射任务，中国气象局卫星气象中心负责管理卫星资料的接收、处理以及产品的分发。风云1号气象卫星的任务是为天气预报提供区域性及全球昼夜云图，并测量海面温度、海洋水色、海冰、雪盖和植被等环境资料，以及空间环境监测资料。卫星本体是1.421.421.2米的六面体，星体高度2.115米，外侧对称地安装六块太阳电池帆板；卫星总长10.556米，姿态为三轴定向稳定，对地指向精度小于1.0度，轨道为太阳同步轨道，高度900公里，倾角99度，偏心率小于0.005，周期102.86分钟，每天绕地球14圈；风云1号上装有多光谱可见光、红外扫描辐射仪（MVISR），风云1号卫星是我国第一代业务气象极轨卫星，1999年5月10日于太原卫星发射中心利用长征4号乙型火箭发射了风云C卫星，2002年5月15日用同样的火箭发射了风云1D卫星，表1.1给出了中国风云1号气象卫星MVISR1、2的通道及用途。

表1.1 中国风云1号气象卫星MVISR1、2的通道及用途 通道序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 FY-1A、B 谱段(m) 0.58~0.68 0.725~1.10 0.48~0.43 0.53~0.58 10.5~12.5 FY-1C/D 谱段(m) 0.58~0.68 0.84~0.89 3.55~3.95 10.3~11.3 11.5~12.5 1.58~1.64 0.43~0.48 0.48~0.53 0.53~0.58 0.90~0.96 主要作用 白天云分布和云特性,作物监测,污染物等 水陆界面、云、气溶胶、植被、土壤湿度等 表面温度、森林火灾、火山、地面热异常等 昼夜云分布、地表面温度、云顶温度、火灾等 昼夜云分布、地表面温度、云顶温度、火灾等 冰雪、土壤湿度、云相等 海洋叶绿素、悬浮物、泥沙、海冰、海流、水团等 海洋叶绿素、悬浮物、泥沙、海冰、海流、水团等 海洋叶绿素、悬浮物、泥沙、海冰、海流、水团等 云、气溶胶、海岸线等 2008年5月27日上午11时02分33秒，第一颗FY-3系列卫星FY-3A在太原卫星发射中心顺利发射升空，是我国第二代极轨气象卫星，标志着我国极轨气象卫星成功地实现了技术升级换代，实现了新的跨越发展，FY-3A具有全球、全天候、多光谱、三维和定量遥感监测能力，实现了我国气象卫星从单一遥感成像到地球环境综合探测、从光学遥感到微波遥感、从公里级分辨率到百米级分辨率、从国内接收到极地接收的四大技术突破，将在我国天气预报、气候预测、生态环境和自然灾害监测方面发挥重要作用。FY-3A携带了可见光红钱扫描辐射计、红外分光计、中分辨率光谱成象仪等11台探测仪器和一个数据收集平台。探测波段覆盖了从紫外到微波的多个吸收带，探测灵敏度最高达0.1K，光谱分辨率最高达3cm-1，地面分辨率最高达250m。除对大气温、湿度进行三维立体观测外，还可监测云雨、臭氧分布和地表特征参数等。

二、风云2号系列卫星

风云2号卫星是定点于105E的静止气象卫星，它第一批是于1997年6月10日和2000年6月25日由长征系列火箭在西昌卫星发射基地发射的FY-2A、FY-2B二颗试验卫星，卫星是重达620kg、高1.6米、直径2.1米圆柱体，卫星采用每分钟旋转100周的自旋稳定方式姿态，设计寿命3年。风云2号C系列卫星于2004年10月19日发射，是我国第一颗业务静止气象卫星，随后2006年12月8日发射FY-2D，

2008.12.23发射 FY-2E卫星，运行到2012年为止。FY-2C定点于1050E，FY-2D定点于86.50E，FY-2E卫星定点123.5E构成双星卫星。风云2 号气象卫星的主要任务是：（1）获取可见光、红外云图和水汽图；（2）收集来自海洋漂浮站、无人自动气象站的观测数据；（3）播放展宽数字云图、低分辨率云图和天气图。图1.3给出了风云2号卫星系统的工作流程图。

FY-2卫星

测控中心

测距副站II

数据收集 平台

测距副站I （广州）

（乌鲁木齐站）

中规模利用站

小规模利用站 天气图/云图接收站

指令和数据接收站

数据处 运行控

制中心

理中心

卫星气象中心

图1.3 中国风云2号静止气象卫星系统

风云2 号静止气象卫星带有多通道扫描辐射仪，选用五个光谱通道： （1）可见光通道：0.55 ~0.90微米，星下点地面分辨率为1.25公里；（2）短波红外通道：3.55 ~3.95微米，5.0公里；（3）水汽通道：6.3 ~7.6微米，5.0公里；(4）红外通道1：10.5 ~11.3微米，5.0公里； (5）红外通道2：10.3~11.5微米，5.0公里。

该卫星每30分钟对地球圆面进行一次观测，获取一张全景圆面图。采用两个转发器传输原始云图和展宽数字云图、低分辨率云图和测距信号。图1.4为风云-2号卫星观测范围

90 80 70 60 50 N 40 30 20 10 0 10 20 30 40 50 S 60 70 80

90

40 20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 160 140 120 100 80 60 40

图1.4 风云-2号卫星覆盖范围

图1.5 FY-2E 五通道卫星云图(2010.1.25.13:00)

风云2 号卫星地面系统由指令接收系统、数据处理中心和三点测距系统三部分组成。其中： 1）指令接收系统主要完成：（1）发送指令信号到风云2 号气象卫星上；（2）接收卫星的原始数据；（3）发送和接收测距信号；（4）接收来自数据收集平台的观测报告。

2）数据处理中心的任务是完成各类遥感产品的处理、资料的存档和产品分发。

3）三点测距系统由卫星和地面主站（北京站）及两个副站（广州站和乌鲁木齐站）组成。通过测距站计算卫星距离及其变率，求出卫星轨道根数，预报卫星轨道。图1.5给出了风云2号卫星五通道图象。

三、国外气象卫星

1、美国的极轨气象卫星

美国是最先把空间卫星遥感技术应用于气象科学的国家之一，在气象卫星50多年发展的历程中，美国无论在发射卫星的数量、卫星遥感技术的开发和卫星资料的应用方面处于领先地位。美国气象卫星的发展、管理和使用归属于国家海洋大气管理局（NOAA）下的国家环境卫星资料和信息局（NESDIS），卫星的研制和发射由国家宇航局（NASA）承担，资金由商务部提供（每年约3亿美元）。美国的气象卫星有两大系列：极轨气象卫星和静止气象卫星系列。同时美国气象卫星还分民用和军用气象卫星两大系列。

美国民用气象卫星的具体目标是：①系统地定时地对全球大气系统进行昼夜监视，提供大气温度、水汽、风、云分布等资料，并直接向地面发送；②收集转发浮标、船舶、自动气象站、飞机和气球等观测平台的观测资料；③提供业务用的卫星资料产品、发展卫星资料应用技术。

（1）泰罗斯试验卫星

从1960年至1965年为泰罗斯系列卫星（TIROS）试验阶段，共发射了10颗 （2）第一代业务气象卫星

从1966年至今，泰罗斯（TIROS）卫星进入业务应用阶段，其中1966-1969年为第一代业务极轨应用气象卫星，称为托斯（TOS）/艾萨（ESSA）系列卫星。 （3）第二代业务气象卫星

1970年至1978年为第二代业务应用气象卫星，称之为艾托斯（ITOS）/诺阿（NOAA）卫星，是改进的泰罗斯业务的意思。

（4）第三代极轨业务气象卫星

1978年至九十年代后期，是第三代泰罗斯业务应用气象卫星，其中第一颗泰罗斯-N是这一代的先行卫星，后继卫星以诺阿（NOAA）命名。

（5）第四代极轨业务气象卫星-NOAA K,L,M,N

1998年诺阿-K发射成功，标志着开始美国第四代业务卫星，卫星装有改进的微波探测单元AMSU，取代平流层探测单元（SSU）和微波探测单元（MSU），它由15通道的微波温度探测器AMSU-A和5通道的微波湿度探测器AMSU-B二者组成；而HIRS/2则为HIRS/3替代，AMSU 和HIRS/3协同组成新一代的ATOVS，替代原有的TOVS系统。

（6）第五代业务气象卫星-NOAA O,P,Q

0

在NOAAK,L,M,N系列卫星后,新一代系列卫星是NOAA-O,P,Q，该系列卫星高度824公里，倾角98.5，轨道周期102分钟。

2、美国静止气象卫星

美国静止气象卫星经历试验和业务两个阶段。试验阶段的卫星是应用技术卫星（ATS）系列。静止气象业务卫星为戈斯（GOES）系列卫星。

（1）应用技术卫星（ATS）系列

该卫星星体呈圆柱形，长1.37米，直径1.46米，重352千克。在这一卫星系列中，ATS-1和ATS-3，是专门用于气象观测试验的，分别定点于 150W太平洋和60W大西洋赤道上空，采用自旋扫描云图照相机（SSCC）和彩色自旋扫描云图照相机，以间隔为30分钟和26分钟提供一张云图照片。这两颗卫星分别工作了5年和8年。卫星只提供白天云图，还进行天气图传真试验，为建立业务静止卫星系统提供依据。

（2）第一代业务静止气象卫星（SMS/GOES）

由同步气象卫星（SMS）和地球静止业务环境卫星（GOES）组成，总共发射了五颗，通常有两颗

卫星分别定点于750W和1350W，以间隔半小时对地球观测一次，每2年有一颗新的GOES卫星接替行将失效的卫星。卫星设计寿命为2 ~3年，实际寿命在5年以上，因此当新卫星代替时，原有的卫星就调至备用位置，若现役卫星发生故障，它又调到指定位置。

该系列卫星本体呈圆柱形，重约305千克，直径1.91米，高2.31米。卫星的主要任务是：（1）使用可见光和红外自旋扫描辐射计（VISSR）摄取可见光和红外云图；（2）传真卫星云图和天气资料；（3）收集飞机、气球、浮标、船舶和无人气象站的天气资料；（4）空间环境监测，使用空间环境监测仪（SEM），测量高能粒子、磁场和太阳X射线。

（3）第二代业务静止气象卫星（GOES-D）

1980年9月9日成功地发射了GOES-D卫星，开始了第二代业务静止卫星，其主要改进是前几颗卫星使用的VISSR，现为VISSR大气探测器（VAS）所取代，它除提供半小时一次的云图外，还提供半小时一次的VAS资料，用于反演三维大气温度和水汽分布等。

这一代卫星发射了4颗，

（4）第三代业务静止气象卫星（GOES~I-M）

1994年4月13日GOES-8（GOES~I-M）发射成功，并于1995年6月1日正式工作，它定点于750W赤道上空，为GOES东卫星，开始美国第三代业务静止气象卫星，这一代卫星与前一代卫星相比较，其主要变化在于：（1）卫星的姿态稳定由自旋稳定改变为三轴定向稳定，可使卫星观测仪器始终正对地球表面观测；（2）图象仪与大气探测器分开，分别独立工作，它们有各自独立的地面控制系统和地面传输系统，可以同时获取卫星云图和大气垂直探测资料；（3）卫星对地球进行圆盘图象观测的同时，可以对局部小区域进行5分钟的连续监视观测；（4）卫星探测分辨率有所提高，红外通道分辨率由原来的8公里提高到4公里；大气探测器的分辨率由14 公里提高到8公里；（5）卫星的定位精度提高，由10公里提高到4~6公里。

GOES-8卫星携带的仪器有：（1）一台成象仪（Imager）；（2）一台探测器(Sounder)；（3）空间环境探测器(SEM)（包括高能粒子探测器(EPS)，高能质子和粒子探测器(HEPAD)，X-射线传感探测器(XRS)，用于监测地球磁场的磁强计）；GOES-8卫星还有一个数据收集系统（DCS），搜索和营救（SAR）接收器和发射器，

1995年5月23日GOES-9卫星发射成功，定点于1350W，它的仪器设备与GOES-8 相同。 GOES-L 和GOES-M于1999年3月和2000年4月发射。在2010年以后，GOES-N到 GOES-Q将取代GOES-I~M 卫星 。

3、欧共体静止气象卫星（METEOSAT）

1972年，欧洲空间研究组织（ESRO）的8个成员国（现在有16 个）决定建立欧洲静止气象卫星METEOSAT系列卫星，并于1977年成功地发射了第一颗METEOSAT卫星。Meteosat卫星包括：（1）MOP系列卫星；（2）MTP系列卫星；（3）MAG系列卫星等三个系列。 （1）第一代Meteosat卫星（MOP系列卫星）

MOP系列卫星是Meteosat卫星系列中的第一代卫星共发射了6颗，其中Meteosat 1~3是试验性非业务卫星，Meteosat 4~6是业务卫星。卫星定点于00赤道上空，星体是一个圆柱体，高3.1米，直径2.1米。采用自旋稳定方式，转速100转/分钟，功率为200W，设计寿命为5年。卫星携带有3通道扫描辐射计获取可见光（0.4~1.1微米）、红外（10.5~12.5微米）和水汽（5.7~7.1微米）图象。它的主要功能为（1）每日提供48张地球圆盘图（传真图）；（2）向用户提供实时数字和模拟资料；（3）中继其它气象卫星资料；(4) 收集转发数据收集平台的环境资料；（5）向用户发送云风矢、云分析、云顶高、海面温度等二次处理产品。

(2)第二代Meteosat卫星（MSG卫星）

MSG系列卫星是第二代Meteosat卫星，功率500瓦，起飞重量为1700千克，设计寿命10年，携带有一台12通道的扫描辐射计，每15 分钟提供一次全景圆盘图。其信息量是MOP卫星的10倍，可见光通道的分辨率由2.5公里提高到1公里。红外通道和水汽通道的分辨率由5公里提高到3公里，该卫星的主要作用是：（1）获取多光谱图象资料；（2）监视大气中对流的发生发展；（3）监视大气气团特

性；（4）向用户提供卫星图象和气象产品；（5）接收和转发数据收集平台资料。 4、日本静止气象卫星

(1)GMS卫星：1977年7月14日，美国休斯公司代为日本研制发射了第一颗静止气象卫星（GMS），命名为向日葵号，预定寿命5年，定点于140 0E的赤道上空。本体呈圆柱形，直径2.16米，高2.7米，重315千克。星体四周贴有太阳电池，采用自旋稳定方式。从第二颗GMS卫星开始由日本自已制造发射，总共发射5颗卫星。

GMS 1- 4卫星带有可见光红外自旋扫描辐射仪（VISSR）、空间环境监视器（SEM）。从GMS- 4卫星开始，高分辨率卫星资料用数字方式发送，提高了数据传输速率和数据的可靠性。GMS-5号卫星增加了水汽通道、红外分裂窗通道，加上可见光共有四个光谱通道。

GMS的主要任务是：(1) 利用可见光红外自旋扫描辐射仪（VISSR）获取昼夜云图；（2）收集诸如船舶、气球、浮标站及自动无人气象站观测资料等收集平台（DCP），并传送到气象厅经编辑和转发系统，最后由全球通讯系统发给各国；（3）对原始云图作处理，获取传真云图、风场、云顶温度（高度）、洋面温度和云量等；（4）发送一、二次处理产品；（5）空间环境监视。

GMS的地面系统有：（1）指令和资料接收站(CDAS)，设在琦玉县鸠山村，向卫星发送各种指令信号，接收卫星发送的各种观测资料；（2）资料处理中心（DPC），设在东京都清濑市，将接收到的卫星资料加工处理，制作传真天气图和GMS卫星的运行、控制及其它各种业务产品；（3）资料收集平台（DCP），收集设在船舶、浮标和岛屿上的资料观测平台，接收卫星发出的呼应讯号，并向卫星发送资料；（4）测距站（TARS），采用三点测距法，确定卫星的位置；（5）跟踪控制站（TACS），跟踪卫星，接收卫星姿态和位置信息，必要时向卫星发送姿态和位置校正讯号；（6）跟踪控制中心（TACC），对接收卫星姿态和位置信息处理分析，编制姿态校正和位置控制指令。 （2）日本多用途卫星（MTSAT）：2005年2月26日6:25发射了MTSAT-1R卫星， 该卫星在原来的装载的VISSR、DCS和云图广播基础上增加了导航业务、航空通讯等，用于完成气象探测和航空通讯两大任务。卫星重约2000千克，功率为2,500瓦。增加了3.7微米短波红外通道，数据量化等级为10比特。2006年2月18日又发射了第二颗MTSAT-2R卫星。卫星有以下五个通道, 红外有

ch1:10.3-11.3m；ch2：11.5-12.5m ；ch3：6.5-7.0m ；ch4：3.5-4.0m ；可见光有0.55-0.90m。

5、印度的静止气象卫星（INSAT）

INSAT I 卫星是由美国福特航天和通讯公司设计制造，是一个偏动量三轴定向稳定姿态，卫星不仅进行气象观测，还兼电视广播和通讯。1982年四月印度气象卫星INSAT I的第一颗INSAT-1A卫星发射，至同年9月终止。INSAT-1B卫星于1983年8月30发射，于10月15日投入业务使用；INSAT-1C业务卫星于1988年7月发射成功，由于某种技术原因已不能使用，1990年6月12日发射了INSAT-1D卫星，于7月17日投入业务使用。INSAT II系列卫星的第一颗于1992年发射。INSAT定点于830E上空。用于观测印度及邻近地区和海洋区域的卫星云图。卫星携带二通道（可见光0.55~0.75微米和红外10.5~12.5微米）甚高分辨率辐射计（VHRR）。 6、地球观测系统（EOS）卫星介绍

EOS起始于早在1980年NASA提出的美国全球变化研究计划（USGCRP），并于1991年建立的地球观测系统（EOS），它是由多颗卫星组成和为实行多学科（大气、海洋、陆面、生物、化学等）综合研究，加深对地球系统变化的理解，回答理解全球气候变化的问题，地球气候系统是如何变化的，各种地球现象是如何发生的，又是如何变化的，自然和人类引起全球环境变化的作用，建立人类对地球系统发生的各种现象实行长期监视的全球卫星观测体系，从而改进对全球尺度上地球系统各分量及它们之间相互作用的理解。 EOS的计划是：（1）建立由多颗卫星组成的地球观测体系、能满足多学科研究地球的资料收集系统；(2)发展一个包括数据的反演、资料同化综合性的资料处理系统；（3）建立对多学科地球系统研究的资料服务系统；（4）通过十年或更长时间建立获取和收集从空间测量的遥感全球数据库。

EOS观测卫星体系主要由三种类型的卫星组成：（1）Terra EOS AM（EOS/地球星），（2）Aqua EOS

PM（EOS-/水星），（3）Aura （EOS /化学星），它们的工作寿命至少在6年以上。 7、NASA地球系统探索计划系列卫星（ESSP）—A列车卫星 ESSP是NASSA科学探索（ESE）的组成部分，ESSP的主要部分是由CALIPSO、CloudSat和Parasol三颗小型卫星加上EOS的Aqua、Aura两颗卫星构成A列车卫星，探索大气、陆地和海洋中的气候变化秘密，最后加上一颗OCO卫星，总计六颗卫星。ESSP除以上的A列车卫星外，还有GRACE重力再现和气候试验（GRACE）和HYDRDS两颗卫星。 8、新一代极轨业务气象卫星系列NPOESS卫星

通过十七年的努力工作，包括国家海洋大气管理局（NOAA）的商务部（DoC）、国防部（DoD）和国家空间宇航局（NASA）三部门构成的综合局已发展了一个国家极地轨道卫星系统（NPOESS）。NPOESS计划的主要一步是将美国民用和军用气象卫星合并为单一、统一、相互衔接的卫星系统，一旦替代当前的NOAA和DMSP卫星系统，将成功地继承约四十年的观测和服务体系，将进一步发展和扩大观测、评估和预测整个地球系统-大气、海洋、陆地和空间环境。

第二章 卫星观测基本原理 第一节 辐射知识

一、电磁波谱

电磁辐射包括太阳辐射、地球大气的热辐射和无线电辐射等，它的波长范围很广，从10-10微米的宇宙射线到1010微米的无线电波。为了使用的方便，按电磁波的频率或波长将电磁波划分为以下几个波段：

1、电磁波段的划分

电磁波分成射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波等波段，它们都具有电磁波所固有的特性，同时由于波长和频率的不同，还表现有各自不同的特性。

（1）射线：它是放射性元素蜕变时产生的，其波长最短，从10-11~10-4纳米，具有很高的能量（几万~几兆电子伏特），因此它能穿透非常稠密的物质。由于射线能电离空气，所以可以让它穿空气来研它的特性。

（2）X射线（伦琴射线）：X射线是原子内部的电子从激发态恢复到稳态产生的，因而它的波长短、频率高，其范围从0.0045~10-5微米。X射线也能穿透密度很大的物质，所以可以利用它的这种特性研究物质的内部结构。

（3）紫外线（UV）：紫外线是由于原子和分子内部电子状态的改变引起的，其波长范围为0.35~0.0045微米。紫外线又可分为近紫外(0.25~0.38微米)和远紫外(0.01~0.25微米)。由于它的频率高，各种物质对短的紫外线波都有强烈的吸收。对于近紫外UV还分为:UVA(0.32~0.38微米)、UVB(0.29~0.32微米)和UVC(0.25~0.29微米)，其中UVA辐射对大多数人没有大的危害，UVB可以对生命引起太阳伤害，较强的UVC则对多数生命产生严重的损害。

（4）可见光谱段（VIS）：可见光是一个很狭窄的波长间隔，波长范围从0.35~0.76微米，它是由于原子内部电子状态的改变而引起的，其最大特点是它对人眼的网膜施以一种特殊的刺激而引起视觉。可见光谱段还可进一步分为：紫、蓝、绿、黄、橙、红等色光分波段。其中紫光波长最短，比紫光还要短的就是上面讲的紫外线；红光波长最长，比红光还要长的是红外线。太阳辐射的主要范围是可见光辐射。 （5）红外线（IR）：红外线谱段从0.76~1000微米，它主要由分子、原子的振动转动而产生的。它还分为近、中、远红外谱段。红外辐射也叫热辐射或温度辐射，地球大气主要产生红外辐射。

（6）微波：这是比红外线还要长的电磁波辐射，波长范围从1毫米到30厘米，它是由物质内部分子的转动引起的。大于30厘米的是无线电波。 二、黑体辐射定理 1、普朗克定律

十九世纪末叶，维恩导得了与实验相符的黑体辐射的短波表达式，不久瑞利和琴斯又得出符合长波区的表达式，但是用经典电磁理论获得适合于黑体辐射所有波长的统一表达式都没有成功。为解决这一

困难，1900年普朗克假设辐射物质的偶极子只能够存在于分立的能态中，据此由实验和数学导得了有名的普朗克公式，完满地解释了黑体辐射分布规律。对于物体温度为T、波长为的普朗克（黑体）分谱辐射公式为

M(T)2hc25(ehcT1)C15(eC2T1) (1.1)

式中M(T)（Wm2m1）是黑体分谱辐射射出度（辐射通量密度），h=6.6262×1027 ergs 是普朗克常数，=1.38061016ergK是玻尔兹曼常数，C1=3.7427×108Wm4

m2、C2=14388104mK分别是第一和第二辐射常数。普朗克辐射亮度公式为 . B (T ) = 2 hc 2/{ 5 [exp(h c/ kB T ) 1]} (1.2) 如果以频率f表示为

Bf(T)如果以波数表示为

B(T)2hfc2(ehf3T1) (1.3)

2hc23ehcT1 (1.4）

2、斯蒂芬—玻尔兹曼定律

对于整个波长范围的黑体辐射，需将（1.2）式波长从0进行积分，即 B(T)B(T)d02hc25(ehcT01)d(1.5)

若令xhc/T，则 B(T)由此可得

MB(T)T4 (1.7) 式中

254 =5.6693×108(瓦·米-1·开-4) (1.8) 2315ch24T4h3c20x3(ex1)dx24415c2h3T4(1.6)

称为斯蒂芬-玻尔兹曼常数。（1.7）式这是著名的斯蒂芬-玻尔兹曼定理，它表示了黑体的全波长辐射本领与温度的四次方成正比。 3、维恩位移定律

如果将普朗克公式对波长求导，并令其为0，就得

dB(,T)0(1.9) d

可以得

maxT2897.8（mK） (1.10)

（1.10）式就是维恩位移定律，其中max称做光谱辐射峰值波长。可见，当黑体温度升高时，最大辐射值朝短波方向移动。若已知黑体的温度，就可以求出黑体在某一温度的峰值波长；将max代入普朗克式就得温度为T时最大峰值波长max处的最大辐射值 M(max,T)太阳最大辐射波长

C15max(eC2maxT1)(1.11)

.m su,mnax05016如果地球的温度为

Tearth300K

可以求得地球的最大辐射波长为

earth,max9.659m

4．维恩和瑞利—琴斯辐射公式

当波长为大于1毫米的微波区域，hfT，则（4.38）式的分母展开为

e

hf/Thf(hf/T)2hf(1.12)11T2!T

则得瑞利—琴斯辐射公式

2fc22 图1.6黑体辐照度相对小组长的关系 B(f,T)以波长表示为

B(,T)2c4T8.278(.001f)2T(1.13)



计算表明，当hc/T0.019时，用瑞利—琴斯辐射公式代替普朗克公式，其误差小于1%，同时可以看到，辐射与温度呈线性关系。

（2）在可见光或紫外波段，于常温下，T很小，这时有

eC2/T1eC2/T 由此代入普朗克公式中，得维恩公式，写为 B(,T)或是

B(f,T)C1f3eC2f/T (1.16) 普朗克辐射亮度公式为

C15T8278.T/(100)4(1.14)

eC2/T(1.15)

B (T ) = 2 hc 2/{ 5 [exp(h c/ kB T ) 1]}

式中kB是玻尔磁曼常数（1.381023J⋅K 1），h是普朗克常数，c是光速，T是温度(K)。 当λ→∞(f→0), 蕾利—琼斯分布

B (T ) = 2 kB c T/ 4 如果

Lsat( ) = B [TBB] (1.17) 则称TBB是亮度温度，

第三节 地球和太阳光谱、大气吸收和散射

太阳是地球上能量的主要来源，入射地球大气的太阳辐射，加热地球~大气系统，驱动地球大气环流，形成地球上各种复杂天气。同时进入大气的太阳辐射与大气发生光化反应，形成地球生命的保护层—臭氧层，入射至地面的太阳辐射与植被等进行生化反应—光合作用，构造地球上的生命物质，没有太阳也就没有地球上的生命。太阳从它形成之日起至今有46亿年之多，它离我们的地球最近，日地平均距离为1.5108公里。

太阳向整个太阳系发射从射线、X射线、紫外线、可见光、红外到微波的宽广的电磁谱段。太阳光球是一个大体上保持理想辐射和吸收能力的黑体。它发射的电磁辐射遵守普朗克黑体辐射定律，根据测定和计算，太阳单色辐射的峰值波长位于500纳米附近处。在可见光和红外谱段，将测量到的太阳辐射光谱曲线与理论黑体辐射值拟合，发现其与60000K的黑体辐射曲线最好。而在光谱的紫外区与60000K的黑体辐射曲线有较大的偏差；在紫外区的2100~2600埃区间，太阳的等效黑体温度为50000K左右；在1400埃附近，它逐渐降低到47000K。在X波段可以观测到伴随太阳耀斑的强辐射。图1.7给出了大气顶和地面处的太阳辐射辐照度的光谱分布，可以看出，大约46%的能量集中于0.40~0.76微米的可见光区，46%的能量位于大于0.77微米的红外区，小于0.4微米的紫外区的能量只占整个的8%。

由于太阳蒙气和地球大气的吸收和散射的结果，在地面观测到的太阳辐射光谱存有许多吸收暗线和带，与60000K的黑体辐射曲线有明显差异，这些吸收线和带主要是由大气中的臭氧、氧、水汽、二氧化碳、氮等分子和氧、氮原子及大气中的尘埃等物质选择性吸收造成的，此外含量很少的NO、N2O、CO和CH4也有弱的吸收。

图 1.7 太阳辐射光谱

太阳入射至地球的辐射通量平均约为342 Wm2，其中地球大气系统将入射到地气系统的太阳辐射的31%反射回宇宙，而吸收余下的部分,其中大部分地表所吸收（235Wm2）。在大气、陆地和海洋混合层，辐射能转变为化学、热能（增加自身的温度）、动能，作为驱动天气和气候的能量。同时又以自身的温度向宇宙发射红外辐射。地气系统的平均温度为250K左右，发射的辐射光谱位于红外谱段。 图1.8大气气体对地气辐射的吸收，图中为太阳和地球黑体发射光谱和整层大气气体的吸收光谱，主要是二氧化碳、水汽和臭氧；其次是一些微量气体，如一氧化碳、一氧化二氮、甲烷和一氧化氮等。

0

二氧化碳在从大约600至800厘米的15微米谱带，有很强的吸收,此外在较短波长的4.3微米带有吸收。水汽在从大约12000厘米左右至2000厘米的6.3微米谱带及转动带吸收地气红外辐射。臭氧在9.6微米带有吸收。

-1

-1

-1

图1.8 太阳辐射光谱和地球大气辐射光谱中一些重要吸收气体的位置和范围

大气窗区：太阳辐射和地球辐射通过大气时要被大气中的O2、N2、NO、H2O、CO2、O3和CH4等气体吸收，这些吸收表现为一系列分立离散的谱带和谱线，在谱带间或谱线之间存在有吸收相对弱的谱段，在这些谱段，太阳辐射和地球大气辐射可以象通过窗户那样透过大气，将这些谱段称之为大气窗区，大气窗对辐射的衰减最小，选择这些谱段观测云和地表，受大气的影响最小。

1）红外大气窗区吸收气体的概述

所谓大气窗是指大气气体吸收最弱的谱段区，在大气窗区的弱吸收，主要有以下几种因素确定:(1)大气窗两侧某些气体吸收带内的强线远翼连续吸收；(2)大气中水气和其缔合分子的连续吸收；(3)大气中某些微量气体的选择性吸收和弱选择性吸收；(4)某些压力诱导带的连续吸收。图1.9 给出大气成分光谱。

在红外谱段的大气窗区主要有： （1）2.0~2.4m大气窗区 这个窗区有短波端是水气吸收带中心位于1.87微米处，长波端是H2O和CO2在2.7微米的联合强吸收带，这些强吸收带的远翼对窗区光谱有贡献。在这一窗区内，有选择吸收贡献的气体有：H2O、CO2及其同位素、CH4和N2O。但是在窗区内的这些吸收带之间可以忽略大气分子的选择吸收。

图1.9 大气成分光谱

（2）3.4~4.1m大气窗区

这一窗区的两端分别是2.7m附近的H2O和CO2联合吸收带，以及中心位于4.3m的CO2强吸收带。在这一窗区对选择吸收有贡献的气体是：H2O（2.7m带内强线的远翼吸收，3.2m弱带），CO（22.7m和4.3m带的远翼吸收），CH4（3.3m吸收带和3.8m弱吸收带），N2O（3.57m、3.9m和4.05m处的弱带吸收）和HDO(水的同位素)（中心在3.7m吸收带）。此外，还有N2在4.3m附近的压力诱导连续吸收以及水气连续吸收的贡献。这是一个比较透明的窗区，其中从360~385mm范围内基本上没有大气吸收。

（3）8~13m大气窗区

这一窗区位于H2O6.3m和15m之间，主要是这两吸收带内强线远翼贡献，还有CO2在10.4m和9.4m及O3在9.1m和9.65m选择性吸收以及水气缔合分子的连续吸收。

第四节 地表和云特性 卫星探测云和地表特性是依据这些目标物的光谱特性实现的，为识别不同类别的云和将云与地表区

别开，需要关于目标物的光谱知识。 一、地表特性

太阳光通过大气时，部分被吸收和散射后，余下的部分直接到达地面。到达地面的太阳辐射部分被地面吸收，部分又被地面反射透过大气返回宇宙空间。被地表反射的太阳辐射与物体的反照度和太阳高度角有关，而物体的反照度随波长、地面颜色、干湿度、粗糙度和太阳高度角而变。下面分析地表特征

对反照度的影响。

1．裸地的反照率

1）土壤粒子对反照率的影响

通常土壤颗粒的减小会导致地表反照率的增大，这是因为当土壤颗粒子小，彼此间的结合越紧，颗粒与颗粒间的空隙也越小，使得土壤有较少的吸收和较大的反射；同时还使得当太阳斜照时，颗粒间微阴影覆盖面积变小。

2）土壤水份对反照率的影响

如图1.10 中表示了不同含水量情况下的砂质土壤的典型反射光谱曲线。可以看到，干燥的砂质土具有较高的反照率，随土壤湿度增加，反照率明显减小。但当土壤湿度增加到一定值时，反照率将缓慢减小；而当土壤达到吸湿极限时，反照率几乎不变。同时可以看出，对于湿土壤，在1.4~1.5m和1.9~2.0m处因水吸收的作用，出现两个反射谷值，土壤的湿度越大，吸收也越明显。

图1 .10 几类地面目标的反射光谱特性

2、植被覆盖区的反射特性

1）有植被覆盖的地表，其反照率与植物的种类、地面覆盖度、作物生长发育和颜色有关。对于绿色植物，叶子吸收光进行光合作用，光主要被叶绿素吸收，叶绿素有a、b两种，所有的植物都含有叶绿素a。植物叶子由微小的细胞组织构成，入射光在细胞的边界面作多次反射和折射，部分被吸收，未被吸收的被散射或透射。如图1.11 中，给出作物叶子的光学特性。所有植物叶子的反射光谱都是类似的，不同的表现为反射率的大小，植物反射光谱分为三个谱段，下面加以说明： (1)可见光谱段( 400－700 nm )

在这一谱段，叶子的反射率小于15%，是很低的，而叶子透过率也很低，入射到叶子的太阳辐射的主要部分被叶子的色素（如象叶绿素、叶黄素、类胡萝卜素、花青甘）吸收、对叶子吸收起主要作用的是叶绿素吸收（对较高的色素吸收为 6 5%），两个吸收带中心位于蓝（4500nm）和红( 670nm)色，由于这个原因在 550 nm附近处（黄－绿区域）有一个最大的反射峰。

(2)近红外谱段 (700－1300 nm)

在这个谱段，叶子的色素和细胞壁的纤维素是透明的，故叶子吸收小于10%，入射到叶子的辐射不是被反射就是被透过。反射率达到红外区的约50％，主要决定于叶子结构的剖面；反射率随细胞的大小，细胞壁的取向，它内部的不均匀性而增大。

(3)中红外区(1300－2500 nm )

这一谱段 ，绿色植物的反照率决定于植物体内叶绿素和水的吸收叶子光学特性起主要作用。由于叶子中水的含量的作用，主要吸收带位1450nm、1950nm 和 2500nm。在这些带处叶子的反射率最小，除此之外，叶子中水的吸收对叶子光学特性起重要作用。

2)不同生长期作物的反照率

叶子光学特性的改变主要发生在植物幼小期和成熟衰老期，周年生植物或落叶树叶的大部分时间保持常定的光学特性，它是以叶绿体含量为时间的函数。在近红外波段，当叶子枯萎和内部结构变化时，仅反射率发生改变：在中红外波段，随叶子枯死，叶子反射率增加。但应注意到，当叶子呈黄色时，含水量的减小相对滞后。

3)土壤对植物光谱的影响

植被的反射光谱是植被和下垫面土壤反射率的组合，在植物生长期间，土壤作用逐渐减小，裸露土壤光谱被植物的反射光谱代替，作物生长期间，可见光和中红外反射率减小，而近红外谱段反射率增加；作物衰老期间，便出现相反现象。

图 1.11 植物叶子的光谱特性

3、冰雪的反照率

如图1.12 中，积雪的反照率在可见光波段(0.0~0.7m)接近100%，大约从0.8m开始直到红外波段(1.5~2.0m)降到几乎为0。而新的雪要比旧的积雪有更大的反照率，因此在其它条件相同的情况下，可以由积雪的亮度估算积雪的时间。

一般来说，雪盖下的地表对雪的反照率有明显的影响，对于深度小于20cm的积雪，地表降低雪的反照率，雪越薄，越明显。因此利用这一点可以区别积雪区的深度，研究表明雪深与可见光亮度的相关性很好。冬季在红外波段上，雪与地表的温度差异较小，不容易区别它们。但当雪融化时，雪表面的温度明显低于四周陆表的温度，这时由红外图上可以识别积雪。

4、水体的光谱特性

水体下的光谱辐射场取决于到达水表面的太阳辐射角分布和水体的光学特性。而水的光学特性决定于纯水分子的分子散射和吸收以及有机和无机悬浮粒子的吸收和散射。对于描述海-气系统的辐射传输，其界面的折射指数的改变是十分重要的。

图1.12 土壤、水、植被和雪的光谱特征

二、云的光谱特性

云的类型不同，它的光谱特性也不相同 ，如在可见光谱段，若云是由冰晶组成的，则它的反照率要比同样厚度的水云要小，图1.13显示了水云、冰云和雪三种物象的光谱特性，从图中看到在可见光0.5到近红外的1.1m波段积雪的反照率与云的反照率十分相近，时常难以区分，冰云的反射率较水云和积雪要低，。但是在谱段在1.0、1.5和2.0m处雪有几个吸收区，其中在1.5和2.0m处雪的反照率最低，云的反照率仍然很高，在此处雪比云的反照率小得多，因而是区别雪和云最理想的波段。同时在1.8和2.2m处是积雪的反射峰，新雪与旧雪间反照率差异最大，是区分新雪和旧雪和雪龄的最佳波段。在1.6微米和2.0微米处可以看到，水云、冰云与雪的反射率间有明显差别，如果选取这两波段进行观测可以区分水云、冰云与雪.

图1.13 对于波长0.4到0.25m 光线入射角60o水云、冰云和雪的半球光谱方向反射率（Dozier.1989）

第三章 卫星云图观测原理 第一节 卫星接收到的辐射

在地球大气系统中各自然表面以及大气本身的辐射过程是一个十分复杂的问题，它涉及到各辐射源

的特性和物体和气体的吸收、发射、透射、目标物反射、粒子散射和透射等诸多方面的特性。地球大气系统作为一个整体，它一方面要接受入射的太阳辐射，另一方面又要反射太阳辐射和以其自身的温度发射红外辐射。如图 所示，在它的视场范围内测量到辐射主要有:

1) 地表、云层发出的红外辐射，将卫星在大气窗通道测量的辐射转换成图象就得红外云图。 2)大气中吸收气体发射的红外辐射，由卫星测量到的大气气体发射的辐射，就可反演获取大气的有关参数，如选取CO2发射的辐射可以得到大气垂直温度，由H2O发射的辐射可以得到水汽分布。 3)地面、云面反射的大气向下的红外辐射，由于在红外波段卫星测量的地面反射大气辐射很小，可以忽略不计。

4) 地面和云面反射太阳辐射，卫星在可见光谱段测量的辐射就获取可见光云图。

5）大气分子、气溶胶等对太阳辐射的散射辐射，根据卫星测量的大气分子、气溶胶的后向散射辐射可以获取大气分子、气溶胶的分布。

图 1.14 卫星能接收到的辐射

从图1.14中可以大概得到卫星在空间接收地球大气中各种辐射源发射辐射的相对大小，对于反射太阳辐射部分，卫星测量的主要是云反射的太阳辐射，其次的空气分子的后向散射辐射，而地面反射太阳辐射较小。

第一节 可见光卫星云图原理

卫星在可见光波段接收的主要是地面或云面反射的太阳辐射，在大气窗区，如果略去大气的作用，卫星接收的辐射与地面和云面的反照率成正比，地面的反照率越大，反射太阳辐射越大，所谓反照率，它是地面总的反射太阳辐射与入射到地面太阳辐射的比值；同时与入射到地面的太阳辐射有关，早晨由于太阳高度角小，到达地面的太阳辐射小，地面反射太阳辐射也小，卫星接收的辐射也小。因此 Lsat (0;,)可以表示为

Lsat (0;,) =

L()E(,)0 (1.18) 式中L () 是地面反照率， E (,) 是入射到大气顶的太阳辐射，0 =cos0，0是太阳天顶角，从式中可以看到，如果不计大气的影响，卫星可见光谱段测量的辐射，主要取决于 （1）地面反照率L ()，地面反照率越大，卫星接收的辐射越大，（2）太阳天顶角0， 0越小，入射太阳辐射越大，目标物反射的太阳辐射就越大。

第二节 卫星红外接收到的辐射

卫星在红外波段接收的主要是地面、云面和大气发射的红外辐射，接收的辐射Lsat( )可以表示为

~T(p,) LB[T(p)]dp (1.19)

PSp~式中s是地表面发射率，ps 是地面气压，T(ps)是地表面温度，B [T(ps)]是地表面的普朗克辐射，Ts( ps , )是在卫星观测方向 从地面到大气顶的透过率，T(p )是在p高度上的大气温度，B [T(p)]是p高度上的

~~普朗克辐射，T( p, )是p高度 方向到大气顶的透过率，T( p, )/p是大气透过率随高度的改变。(1.19）式是卫星遥感探测大气的基本方程。

sat

~( ) =s B [T(ps)]Ts( ps , ) +

0 1、红外云图的原理

卫星在红外谱段接收到的辐射可以写为 L()21L()d221~B(T)Tss,s()~T(p,)BT(p)dpd (1.20) Psp0卫星在红外大气窗区观测，T,s=1，则如果略去大气效应，即(1.20)式中右边的第二项大气辐射项可以略去，这时方程简化为 L()~1L()d21,sB(Ts)T,s()d (1.21)

~~又在红波段10.5~12.5微米范围内，,s1，及T,s()1，则上式又写为

L()B(Ts)d (1.22)

12或以辐射通量表示为

(sat)12.510.5B(Ts)cosSd (1.23)

式中Ts是表面温度，是卫星仪器观测立体角，S是卫星观测地表面积。从(1.23)式可见，在10.5~12.5微米红外谱段，卫星接收到辐射仅与温度有关，物体的温度越高，卫星接收到的辐射就越大；温度越低，辐射越小。如果将卫星在红外谱段接收到的辐射转换为图象，辐射大用暗的色调表示，辐射越小，色调越白。这样就得到红外云图。因此在红外图上的色调表示了物象的温度分布。由红外云图上的色调可以推算地表面的温度。

在上面，将红外谱段的云和地表面近似地作为黑体处理。实际上，云和地表不是真正的黑体，由于所有实际目标物的发射率都小于1，以及大气对地表（云）辐射的吸收，因此卫星接收到的辐射推算出的温度比实际目标物的温度要小，由此估算的云顶高度偏高。对于实际情况，卫星观测的辐射写为

12.50 L(sat)B(Ts)d+10.510.512.5~T(p,sat)BT(p)dpd=Lbb = B(Tbb) (1.24) Psp式中是10.5~12.5微米波段的平均发射率，Tbb称之亮度温度，它是指将卫星观测到的辐射看成是普

朗克黑体辐射，并据此算出的温度。因而从严格意义上说，红外云图是一幅亮度温度分布图。根据卫星观测表明，大多数云的发射率为0.75左右，由卫星观测值按普朗克公式算出的温度，考虑到温度高低和视角的大小需加5~100K的订正，计算的云顶高度比实际的高1公里。实际的表面温度与亮度温度间关系为

Ts = Tbb + T (1.25) 式中Ts是实际的表面温度，称T是大气订正。

第三节 卫星接收到的短波红外和水汽辐射

一、卫星接收的短波红外辐射

通常将3.0～4.0m谱段称为短波红外谱段，白天卫星感应器在短波红外通道接收到的辐射由 Lsat (0;,) =

3.933.55L()E()0d+ 3.933.55,sB(Ts)d (1.26)

式中右边第一项是地（云）面反射的太阳辐射，第二项是地（云）面自身发射的辐射。从上式可见卫星白天接收的辐射决定于地（云）面反照率及其发射率和温度，温度越高、反照率和发射率越大，卫星接收的辐射越大，反之则越小。如果将卫星在短波红外谱段接收到的辐射转换为图象，辐射大用暗的色调表示，辐射越小，色调越白。这样就得到短波红外云图。 二、卫星在水汽通道接收的辐射

在水汽通道卫星接收到的辐射为

~ Lsat()L()dsB(Ts)T,s()5.75.77.37.30~T(z,)BT(z)dzd (1.27)

z~式中右边第一项为地（云）面发射的辐射，第二项是水汽发射的辐射，B[T(z)]是z高度处水汽发出的红外辐射，B[Ts]是地面的普朗克辐射，s是地面发射率，T,s()是地面到大气顶的水汽透过率，T(z,)是z到大气顶的透过率。T(z,)/z是水汽透过率随高度变化，如果将卫星在水汽谱段接收到的辐射

转换为图象，辐射大用暗的色调表示，辐射越小，色调越白。这样就得到水汽图。

~~ 第四节 卫星观测通道特性分析

在业务气象卫星观测所采用的波段主要有以下几个，为使用这些通道，下面将这些道的特点说明如下：

一、可见光通道0.412m、0.445m、0.448m、0.555m

这四个谱带中心的主要特征变化是很小的，可考虑把它们作为一组。主要特点有：

1、由于太阳表面黑体温度6000K，最大发射辐射波长在0.5m附近，由这些谱带获取的辐射率是大的；同时看到在这些谱段雪的反照率是很大的，在95%以上，大气的透过率相对是小的，平均为50%。

2、太阳辐射能的衰减主要是由分子散射引起的，一些臭氧谱线的翼区伸到这短波区。由于太阳辐射很短的波长部分与由固定成分的氧和氮组成的大气分子及如水汽可变成分间的相互作用引起了分子散射，降低了太阳照度，使这一谱带的数据不表现很明亮和褪色，使表面具有低的反射率，如裸地和植被覆盖的陆地，事实上分子散射使背景照片上的亮度趋向于均匀化。这个亮度可进行以下方式订正：a）由睛所有特征均匀变暗，在失去背景内容的地方，可以降低整个背景的反差；b）对于分子散射可以对每个象点的辐射率订正，它是感应器反描角的函数；c）可以与其它没有分子散射的谱带实行图象合成，这后两个方法可以保持有地表面的信息量

3、由这些谱段可以提取海洋表层叶绿素的含量，在这些谱带叶绿素的反射率是很强的，不过反演叶绿素是很复杂的，由于到达卫星讯号明显减弱，大约有90%的叶绿素的光谱讯号被大气衰减。SEAWIFS和MODIS 提出离水辐射率，估算海表面的辐射率。

4、由这一谱段对于区分半干旱地区高度低的水云和地面背景很有用。在0.412m谱段，裸地的反射率只有5%左右，而水云和雪的反射率是相当大的，随波长的增大，裸地的反射率稳定地增大，在0.865m处达到最大，约为35%。在同样的光谱带内水云和雪的反射率特征变化很小，因此用0.412m这一谱带检测荒漠地区的云。如果由于某种原因，没有0.412m数据，可以用其余谱段替换，由0.4m到0.6m谱带，裸地的反射率由5%增加到15%。

5、此外，利用这一谱段可以检测半干燥地区的火山气溶胶。 二、0.64m：

1、这一谱段处在大气窗区内，这里的衰减主要是由分子散射，氧、臭氧和水汽的吸收是很小的。在冬季中纬度地区水汽状况下，大约有70%大气顶的太阳辐射能到达地面。这相对短波区的能量是被分子散射，其意味向前和向后散射的能量几乎相等，分子散射的对这波段图象的净效应是象点的反照率或

反射率从天底到扫描边缘缓慢地增加，因此在晴空状况下，如象反照率的低海面，整个相对均匀，从天底到扫描边缘的反照率从2（或3）%增加到7%。虽然对于由人分析云图不是重要的，但是对于其它方面是重要的。

2、这谱段的雪的反射率很高，在云图上表现很亮；植被、裸地、海面的反射率很小，表现很暗的色调；裸地的反照率约为20%，具有中等大小的值，其亮度要比雪小，而比植被、水面要亮得多。

3、水云，如层积云、积云，粒子的数浓度很大，在云图上很明亮。由于云的反射强度是由散射系数、云滴谱、数浓度确定，这些使云具有很高的反射率。用散射效率，意味水云有相对大的光学厚度，即使云的几何厚度很小。一般对于水云的数密度在100到500cm3范围之间， 另外卷云在这谱段具有较低的反照率，由于卷云较大的粒子尺度和小的数密度，它的光学厚度很小,即使是它的几何厚度很大。一般卷云的数密度在0.01到0.1cm3范围之间。因而水云在这谱段上很亮，而冰云不容易可见。

三、0.865-m：

1. 这一谱段在衰减很小的大气窗区内，由于在可见光较长波长的区域，分子散射的减小，有很高的透过率，也可看到没有水汽吸收。由于Mie散射减小在这谱段能量，但是这些粒子相对于大气分子只是很小的一部分。因此大气顶的超过80%太阳辐射能到达地面。

2. 这一谱段与0.64-m谱段比较，相对于裸地而言，植被的反射率明显加大；在0.64m谱段裸地的反射率比植被陆地的反射率大，而0.865-m谱段则相反；水云的反射率也明显加大。潮湿的陆面的反射率则很小。

3. 这一谱带比早期AVHRR的2通道要窄，由AVHRR的0.3-m变窄为0.039-m，这样就避开了由水汽吸收对通道的影响，例如AVHRR的2通道包含有0.83-m强水汽吸收带，而VIIRS不包括有这水汽吸收带，减小水汽对云特性的影响。

4. 由于0.865-m没有水汽的影响，这样也这减小了由于水汽的可变性引起对低反射率地表的特征的变化，将提供更精确的植被指数的分析。

四、1.378-m

这是一很窄的很的水汽吸收谱带，它的特点有：

（1）从图1.16可看出，这一谱带主要可用于检测卷云，特别是陆地表面的卷云，这一谱带的太阳照度是很大的，虽然随波长增大而减小。在这一谱带之外，大气的衰减迅速减小；

（2）由于大气中的水汽在大气低层达最大值，随高度显著递减，在晴空条件下，在太阳辐射入射到达地面和二次反射回空间之前就被强烈地衰减，图是由LOWTRAN用副极地夏季廓线模式的模拟结果，如果是理想反射器（反照率100%）位于6km高度，只有20%的太阳能到达卫星。只有很小的能量被云反射到达感应器。当大气高度降低时，反射太阳能显著减小，到地面已经没有反射能量到达卫星。

（3）大多数地面物体的反射率不是100%，一般小于50%，如这一谱带的雪、裸地、植被都在50%以下，因此这些物体在这谱带是不可见的，这些表面特征是“理想黑体”。

图1.16 1.378-m大气的衰减

（4）卷云出现的高度处的水汽浓度比地面小好几个数量级，因此，太阳辐射到达大气湿度层高度之前，对太阳能的散射主要来自于卷云；同样，由于水滴构成的中云的周围水汽比地面少很多，但是它们有很高的反射率，也可在1.378-m谱带见到中云；低高度的水云不一定能在1.378-m谱带见到，这决定于云顶与卫星仪器之间的水汽浓度，因此由1.378-m谱带可以检测到两高度上由冰粒组成的卷云和由水滴组成的中云。此外由1.378-m谱带可以确定中云和水云的差别。

（5）在1.378-m谱带，由于一般地面特征被遮盖，能检测很薄的卷云，即使是有高反射率的低云出现。但是地面高度很高时，可能会出现来自雪对太阳辐射的反射能。

五、1.61-m

这是一近红外谱带，这一谱带的遥感大气的价值在于：

（1）这谱段处于较干洁的大气窗区内，透过率大于90%，水汽吸收谱线的翼区伸到该谱带，但是即使相对潮湿的大气，吸收不到10%。在1.4-m大气透过率接近为0到大约1.58-m处迅速增加到最大，保持直到1.75-m。因此所用的光谱区间是1.58-m 到1.75-m。

（2）1.61-m最大的价值是地表面积雪的识别，在这一谱段积雪与其它物象间有很大的差别。从图可以看到在1.5-m处雪的反照率极小，直到1.58-m保持很小的值，然后随波长增加而缓慢地增加，至1.64-m约为5%。

（3）裸地、植被地区，及水云的反射率明显地大，约为30%到50%，因此在1.61-m谱带，雪与这些目标物有反差，因此用这谱带可以确定积雪的存在。

（4）利用这谱段可以区别水云和冰云及积雪，另外由图 可见，由这一谱带区分积云和卷云。 六、2.25-m

2.25-m是一个大气窗区谱带，由这一谱带冰云、水云和雪的反照率不同, 可以检则冰云、水云和雪。

七、3.74m

这是短波红外谱带,

（1）从图1.17 看到太阳黑体温度6000K和地球300K的发射光谱曲线相交于3~5m谱段，黑体温度约700K物体的峰值辐射波长位于这一谱段，包含有来自太阳和地球两个源的能量，因此它较任一谱带复杂，也表明它比其它谱段包含有更多的信息。最初利用3.74m是改进海面温度的遥感，

图1.17黑体温度6000K、700K、300K的辐射谱分布

（2）在3.74m谱段，大气对辐射的衰减相对于其它谱段要小，图1.18给出AVHRR的ch3（3.74m）、ch4（11m）、ch5（12m）三个通道的透过率随水汽含量的改变，随大气中的水汽增大，透过率减小，但是可以看到ch3（3.74m）减小得最少。利用谱段间亮度温度差可以用于估计大气中水汽的含量，海面温度的反演作水汽订正。

（3）利用3.74m谱段可以改进SST的反演精度，由夜间的3.74m谱段识别层状云，和白天和夜间图象的薄卷云，

图1.18ch3（3.74m）、ch4（11m）、ch5（12m）三个通道的透过率随水汽含量的改变

（3）利用3.74m谱段，可以检测夜间的层状云和薄卷云，在长波IR图上，由于层状云和薄卷云与地表小的温度差，很难检测。利用多谱段亮度温度差T B11.0TB 3.7可自动检测夜间层云和雾，在这两波长上层云发射率的不同，层云在3.74m谱段的发射率为0.8，而在11.0m通道的发射率接近为1。在两谱段的发射率差可引起20%的能量差。因此在3.74m通道层云的亮度温度差较11.0m要低4K那么多。

（4）利用3.74m谱段，消除云污染 （5）利用3.74m谱段，判别云和积雪 （6）3.74m谱段，光学厚度与粒子半径

图1.19 亮温差与11.0m、与3.7m间关系

（6）利用3.74m谱段，检测地球表面的如森林火点，图1.20 表示在一条扫描线上11m和3.9m两谱段的亮度温度的变化，a、b、c三个点是地面火点，在3.9m谱带显示为三个峰值，相应在11m谱段上相对平坦，在3.9m谱带最大峰值是在b点，该处的亮度温度为321.4K, 而在11m谱段上亮度温度为306.2K，因此由两谱带亮度温度差可以检测火点。

图1.20 在一条扫描线上11m和3.9m两谱段的亮度温度的变化

八、6.7m

6.7m是水汽强吸收带，地面和大气低层发射的辐射不能到达卫星，因此利用该谱带只能检测高层大气水汽分布和大气环流，目前卫星利用这通道得到大气水汽分布的水汽图像。

九、8.6m

这是一个大气窗通道，影响这通道特性的是有较明显的水汽吸收，因此这通道不如11m通道透明，实际是一个弱的水汽吸收区，由这通道可获取大气较低层水汽信息。

十、11.45m

(1) 由于云比地面的温度低很多, 因此用这谱带检测云, 特别是卷云。对于云类的判别，这一谱带确定云顶高度，在地面观测中是根据云底高度实行云分类，因此由卫星观测到的云顶高度确定云类的不足之处。

(2) 由于水云、裸地、植被的发射率比任何其它谱带更接近于1，因此由这谱带确定云顶高度，亮度温度与通过对光路上由水汽引起的大气衰减订正后的表面温温度相关，但卷云除外，它的发射率在这谱带有很高的变化。由于水汽吸收，该谱段的大气透过率降低，云顶上的水汽吸收由云发射的辐射能量，由于大气温度是向上递减的，水汽再以更低的温度发射辐射，因此，卫星接收在潮湿大气中云的辐射比在干燥大气中同样的云更小。如果没有订正，这种作用会高估云顶高度。

(3) 在干燥大气中，大气中的水汽对辐射的衰减是相对小的，这样卫星估算的亮度温度比实际云顶

温度低1~2oC，而潮湿大气中，卫星估算的亮度温度比实际的低3 ~ 6oC。如果没有作大气水汽订正，假定湿绝热大气温度的垂直递减率约为6 oK / km，这样估算的云顶高度的误差为500到1000 m。对于水云，采用订正后的资料，则这种误差不会超过几百米。根据由卫星估算的云顶温度和邻近的大气温度廓线，就可对中、低高度的水云分类。

(4) 由各个云顶之间的云顶亮度温度差区分云顶高度是可能的，例如两块云的亮度温度差是18 oC，假定大气为湿绝热垂直递减率，则这些云间的云顶高度差约为3 km。使用同样的方法，可以由云顶温度与表面发射率接近为1的周围晴空地表的温度估算云顶高度。

（5）虽然由该谱带很容易检测卷云，但是要确定卷云的高度不是很容易的事，卷云随高度变化，一般取决于地理位置，由于它出现于接近对流层顶，在高纬度地区的卷云出现的高度很低，而在中纬度和热带可出现较高的高度。由于大多数卷云很薄，卫星测量的不仅是卷云发出的辐射，而且有下面低云或地表发出的辐射，不象水云近似为黑体，卷云的发射率变化很大，由于有低云发射透过卷云，使卫星观测的亮度温度比实际卷云顶的大约高30 oC，由此引起卷云顶高度的误差达到5km，对于薄卷云更高。因此要获取卷云顶高度必须用多谱段方法。

十一、12.0m

该谱带是长波红外，它与11m谱带基本相同，都是显示目标物的亮度温度，不同的是该谱带受水汽的吸收的影响比11m更大，图1.21 表示两谱带在干燥大气和潮湿大气中受水汽吸收的的影响，对于吸收率为0 时的地表面温度为300K，比较11m和12m谱带对干燥大气和潮湿大气中测量地表面的亮度温度差，清楚看到在12m的亮度温度差显著地大于11m的亮度温度差。表明12m谱带受水汽的影响远大于11m谱带。

图 1.21 水汽吸上对亮温的影响

十二、13.9m

这谱带是CO2强吸收带，晴天时卫星测量的是大气中CO2发出的红外辐射，但在有云时，特别是高云出现时，卫星测量的是由高云和CO2发出的辐射，利用这谱带可检测不同高度上的云。

第五章 卫星云图观测仪器 第一节 CAVHRR

一、改进的甚高分辨率辐射计(CAVHRR)

改进的甚高分辨率辐射计(AVHRR)是对第二代业务卫星携带的甚高分辨率辐射计（VHRR）作较大的改进，装载在美国第三代业务气象卫星TIROS-N/NOAA系列卫星上的图象观测仪器。随卫星探测技术的提高和大气观测及其它领域的需要，AVHRR的发展由最初的四通道辐射计（AVHRR-1）发展为五通道和六通道（AVHRR-2、 AVHRR-3、AVHRR-4）辐射计，其目的是通过增加卫星观测通道获取更多的陆地表、海洋、云和气溶胶等信息，扩大卫星资料的应用范围。

AVHRR仪器由光学系统、探测器和信息处理系统组成，其中光学系统由一个旋转扫描镜、望远镜

系统和后继望远镜系统组成；旋转扫描镜是长轴为29.6厘米、短轴为20.96厘米的椭圆形镜子，固定于马达的转动轴上，它与卫星的前进方向成450交角，扫描镜的旋转方向与卫星星下点的轨迹方向垂直，转速为每分钟360转，其作用是实现卫星对地球扫描观测的同时，将卫星接收到的辐射反射到卫星仪器内的望远镜系统；其望远镜系统是一个Afocal-Mersenne系统，它由初级镜（直径20.32cm）和次级镜(直径5.08cm)进行二次反射成一束平行光(不是聚焦)，然后通过小孔(直径5.08cm)进入后继光学系统和探测器；后继光学系统由射线分裂器、反射镜、透镜和滤光器等组成，其作用是将滤光后的各通道辐射分别到达各个探测器。所设计的该光学系统使杂散辐射和极化效应最小。光学系统经仔细校准，使得仪器观测同一步点时各通道的偏差在0.1mrd之内。

对于AVHRR的空间分辨率决定于探测器前的前场光栏或探测器本身的敏感面积确定了FOV。AVHRR的所有通道具有视场为1.3±0.1毫弧度。对于850公里高度的卫星，星下点扫描点为1.1公里。扫描线端点每一象点在轨道方向为2.3公里，在垂直轨道方向为6.4公里。 表1. 2给出了AVHRR/1、AVHRR/2和AVHRR/3仪器的技术参数。

表1. 2 AVHRR/1，AVHRR/2，AVHRR/3仪器参数学系 参数 望远镜 类型 直径 视场 地面分辨率 星下点 扫描线末端 扫描镜转速 资料取样速率 扫描线 天底角 距天底距离 扫描步点 通道 1 2 3a 3b 4 5 资料速率 仪器尺寸 仪器质量 消耗功率 AVHRR/1 Afocal Mersenne 20.32cm 1.3mrad 1.1km 2.36.4km 12rad s-1 40kHz AVHRR/2 Afocal Mersenne 20.32cm 1.3mrad 1.1km 2.36.4km 12rad s-1 40kHz AVHRR/3 Afocal Mersenne 20.32cm 1.3mrad 1.08 km 2.276.15 55.30 1500km 2048 0.55~0.680.75~1.103.55~3.93 10.5~11.5m m m m 55.30 1500km 2048 0.58~0.68m 0.725~1.10m 3.55~3.93m 10.3~11.3m 11.5~12.5m 55.37 1446.58 km 2048 0.58 ~ 0.68m 0.85 ~ 0.88m 1.58 ~ 1.64m 3.55 ~3.93m 10.3 ~11.3m 11.5 ~12.5m 750kbits s-1 272779cm 30kg 29W 750kbits s-1 272779cm 30kg 29W 第二节 静止卫星观测仪器

一、可见光红外自旋扫描辐射仪（VISSR）

1、可见光红外自旋扫描辐仪

可见光红外自旋扫描辐仪的光学系统与扫描辐射仪相似，它由旋转-步进扫描镜、光学口径40.6厘米的Richey-chretien聚光系统、探测器、辐射致冷和多路调制信号处理系统组成。 该仪器具有可见光通道0.50~0.75微米和红外通道10.5~12.5微米。扫描镜接收来自地气系统反射太阳辐射和发射的红外辐射并反射至仪器内部，然后聚焦于探测器上。可见光通道辐射由8个光导纤维收集，之后送到具有0.50~ 0.75微米光谱响应的8个光电倍增（PTMS）。红外通道辐射能由具有辐射致冷

的两个碲镉汞（HgCdTe）的红外探测器感应。

可见光通道的瞬时视场为0.025×0.021毫弧度，星下点分辨率为1.25公里；红外通道瞬时视场为0.2×0.2毫弧度，星下点分辨率为5公里。 表1.3.VISSR仪器的一些重要参数。

该仪器对整幅地球圆面的扫描是东西和南北两个方向扫描的合成，自西向东的扫描是靠卫星绕其本身的自旋轴自旋（100转/分）完成的，而由北向南扫描则靠扫描镜的步进运动（分成2500步）来完成的，卫星每自旋一周，扫描镜步进一步。卫星对地球扫描的总张角约为200，对整个地球圆面进行一次扫描需时25 分钟，扫描完后扫描镜以10.67倍的步进速度复位，需时2.5分钟，姿态校正需时2.5分钟，所以完成一幅整个圆面图需时半小时。即每隔半小时对整个地球圆面进行一次观测。

图1.22 表示静止卫星对地观测的示意图。由图可见，由于在聚焦平面一安放4×2个纵向排列的可见光探测器，所以卫星每自旋一周可得4条扫描线，因而可见光通道的分辨率为红外的4倍。 一幅可见光云图含有10000条扫描线，每条扫描线上有13376个象素，一幅红外云图含有2500条扫描线，每条线上有6688个象素。 2、VISSR观测种类及资料处理 1）观测方式

（1）定时观测： 每隔一定时间按规定的时刻观测（如3小时、1小时一次等），这就是定时观测，预报员可以在固定的时刻获取卫星云图资料。

（2）连续观测：为获取卫星云风矢量，需要短间隔的卫星云图资料，如为得到上午08：00时和晚间20：00的云风矢量，静止卫星作4次间隔为半小时的连续观测，由此能追踪云的移动，获取风矢量。 （3）特殊观测：当有台风、冰雹、龙卷风、暴雨等灾害性天气系统发生发展时，需要局部地区的连续监观测，这就是特殊观测。

2）扫描方式（1）全帧扫描：卫星在其总视场±100（2500条扫描线）范围内对整个地球圆面扫描，取得整个全景圆面图；（2）可变帧扫描：在全帧扫描范围内，根据天气预报的需要，选择局部区域进行步进扫描，以便连续监视灾害性天气的发生发展的演变特征；（3）单线帧扫描：挑选某个南北位置，控制作单线重复扫描；（4）快速正扫描：以10.667倍全帧扫描速度对地球圆面作快速扫描。

VISSR接收地球大气系统的反射太阳辐射和红外辐射，经光学系统后，为光电倍增管和碲镉汞探测器感应，并将其变为电讯号，再经电子电路放大，进行多重调制量化，可见光通道为6比特，红外通道为8比特，再将这两种信号编排为一定的格式，进行分相调制，最后由S带天线以2千兆赫发送给地面指令和资料接收站。

辐射致冷器

VISSR-450扫描镜 (扫描总视场200,每 步0.14mr) 消旋天线 S带全向天线

依靠卫星自旋从西向

北

东对地球张角200

自北向南扫描镜对地球

南

备用红外视场

张角200步进扫描,计

4个备用可见光瞬时视场

红外视场(0.14mr×0.14mr)

4个可见光视场(0.035mr×0.035mr)

扫描方向(东)

140 μrad

39μrad

140 μrad

140 μrad

1050

μrad

35μrad

140 μrad

4μrad

31μrad

4 个在用的

备用红外视场 在用红外视场 可见光视场 (IGFOV) (IGFOV)

4 个备份的可见光视场

图1.22 可见光红外自旋扫描辐射计(VISSR)扫描和视场配置

表1.3. VISSR仪器特征

光学系统 扫描镜（平面） 主反射镜直径 副反射镜直径 有效焦距 探测通道特征 探测器 光谱响应范围 探测器数目 瞬时视场角 扫描线数 每个象素用的比特数 噪声特性 灰度等级 Richey-chretien 65.43厘米×42.06厘米(椭圆形) 40.6厘米 11.5厘米 291厘米 可见光 红外 光电倍增管 HgCdTe碲镉汞 1号：0.5~0.75微米 1号:10.5微米 ~ 12.5微米 2号：0.50~0.75微米 2号: 10.5微米 ~ 12.5微米 4个(一组)×2 1个×2 2 每个探测器：35×31(rad)140×140(rad)2 星下点:1.25×1.25平方公里 5×5平方公里 10000条(2500×4) 2500条 6比特 8比特 (反照率100%时) (对300K) S/N≥45 NEΔT≥0.5 64 256 可测定范围 观测时间 扫描镜回复时间 扫描角精度 体积 重量 电能 反照率：0 ~ 100% 25分钟 2.5分钟 ±1.81rad(1标准差) 65厘米×79厘米×152厘米 75公斤 27瓦 -80~300C

地面指令站以直径为18米天线接收卫星发射的2千兆赫信号，然后由接收机将2千兆赫载频变换为70兆赫中频信号，接着通过解调系统，由VISSR多路解调器对4相分相调制的70兆赫解调和分路，并以并行的数字信号形式传到同步/资料缓冲器（S/DB）。

同步/资料缓冲器的功能是对VISSR信号进行比特同步帧同步，同时从时间上展宽信号以降低信息率。此外还利用遥测信号的太阳同步脉冲消除扫描线间的跳动，进行灰度修正后，再将存贮的资料和相应的同步信号和资料重新编排格式，并把资料展宽到一个自旋周期，最后通过微波终端，传送给资料中心。

3、静止卫星资料的一次处理

1）VISSR资料的一次处理过程：这是资料处理中心（DPC）将资料同步缓冲器（S/DB）输出的图象数字资料流，按图象参数等文件处理得到各种类型的传真云图。 一次处理的内容有（1）编制各种文件；（2）对VISSR校正；（3）进行图象变换、图象参数

2）图象预处理：内容有（1）消除畸变、加网格、坐标变换；

第三节 中分辨率图象光谱仪(MODIS)

中分辨率图象光谱仪(MODIS)是为地球观测系统(EOS)而制造的仪器，装载于美国NASA的EOS

Terra卫星上，Terra卫星是高度705公里太阳同步轨道上，它的目的是监视全球大气水汽、气溶胶粒子和云特性，探索地-气和海-气之间的相互作用，MODIS分为天底（指向星下点）观测MODIS-N和可倾斜观测的MODIS-T两种结构。其中MODIS-N是在光谱范围（0.42~14.24m）的36通道的扫描辐射计，通道中心波长和带宽由表1.4给出。

表1.4 MODIS-N 在太阳天顶角为0=22.50时光谱特征、空间分辨率、最大反射率和亮度温度， 以及主要用途 通道 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 中心波通道带宽长(m) (m) 0.659 0.865 0.470 0.555 1.240 1.640 2.100 0.415 0.443 0.490 0.531 0.565 0.653 0.681 0.750 0.865 0.905 0.936 0.940 0.050 0.040 0.020 0.020 0.020 0.020 0.050 0.015 0.010 0.010 0.010 0.010 0.015 0.010 0.010 0.015 0.030 0.010 0.050 地面分 最大反射 最大亮温 辨率(米) 函数 250 1.49 250 1.00 500 1.04 500 0.93 500 0.51 500 1.02 500 0.81 1000 0.33 1000 0.23 1000 0.17 1000 0.15 1000 0.12 1000 0.08 1000 0.07 1000 0.07 1000 1000 1000 1000 0.06 0.67 1.00 0.74 主要用途 气溶胶特性和云的光学厚度 气溶胶特性和云的光学厚度 气溶胶含量与光学厚度 气溶胶光学厚度 气溶胶光学厚度 雪/云判别,云相态;气溶胶光学厚度 云有效粒子半径;气溶胶光学厚度 气溶胶光学厚度 可降水总量 可降水总量和云量 可降水总量和云量 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 3.750 3.750 3.959 4.050 4.465 4.515 4.565 6.715 7.325 8.550 9.730 11.030 12.020 13.335 13.635 13.935 14.235 0.180 0.050 0.050 0.050 0.050 0.050 0.050 0.360 0.300 0.300 0.300 0.300 0.500 0.300 0.300 0.300 0.300 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 335 700 328 328 264 285 302 271 275 324 275 400 400 285 268 261 238 云有效粒子半径;云和地表温度 火况与火山温度 云和地表温度 云和地表温度 温度廓线 温度廓线 温度廓线 对流层中层水汽 对流层上部水汽 地表温度;云的有效粒子半径,卷云 臭氧总量 云和地表温度; 火况与火山温度 云和地表温度; 火况与火山温度 云顶气压和温度;温度廓线 云顶气压和温度;温度廓线 云顶气压和温度;温度廓线 云顶气压和温度;温度廓线 MODIS-N仪器设计成垂直于平台飞行速度方向的平面内扫描、最大扫描范围在天底一侧550（即两侧为1100），可得到扫描带宽2330公里。扫描镜是一望远镜并且设置有三个双向射线分裂器，由此得到地面分辨率为250米、500米和1000米三种，其中：对于8~36光谱通道，分辨率为1000米，每个谱带置有10个线性阵列探测器；对于通道3~7，分辨率为500米，每个谱带置有20个线性阵列探测器；对于通道1~2分辨率为250米，每个谱带置有40个线性阵列探测器，彼此平行排成一列。这样每次扫描成象于同一平面上，由此得每次图幅在轨道方向为10公里、垂直轨道方向为2330公里。对这种方式所有的通道（0.42~0.57微米，0.65~0.94微米，1.24~4.57微米，6.72~14.24微米）同时在一焦平面上取样和配准，在焦平面间的记录误差小于100米。对于太阳天顶角为0=700信噪比（SNR）范围在57~1100之间，其主要决定于通道。

MODIS-T（倾斜）是一个沿轨道方向和垂直轨道方向扫描的具有在0.410~0.875微米之间间隔均匀的32个通道的扫描式光谱仪，其带宽范围在0.011~0.014微米，仪器使用固态荷电耦合装置（CCD）向前推进扫描的阵列探测器，在天底一侧的扫描角幅宽为450，对天底两侧为900，在沿轨道方向每一扫描由30个点组成，因此对于705公里的轨道高度，在垂直于轨道方向光谱仪每一次扫描可得1500公里幅宽，和沿轨道方向为33公里的图幅，由此在天底方向，每一象点的地面空间分辨率为1.1公里。这一光谱仪的独特的特点是能向前倾斜67.50、向后倾斜500，因此在对海洋观测时，可用于消除海洋太阳耀斑对测量的影响；对于陆地观测，可以确定植冠的双向反射分布函数。